段巍，李崇堅，徐海濤

（冶金自動化設(shè)計研究院，北京 100070）

1 引言

抽水蓄能電站又稱蓄能式水電站，它可在電力負荷低谷時利用電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電。隨著我國核電、可再生能源發(fā)電的高速發(fā)展，抽水蓄能電站調(diào)峰電源的需求量大大增加，抽水蓄能成為我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，我國抽水蓄能電站2020年規(guī)劃為到1 億kW。

抽水蓄能電機組和常規(guī)水輪發(fā)電機組不同，其發(fā)電機兼作電動機、水輪機兼作水泵。當抽水蓄能電站工作在水泵工況下，機組為同步電動機運行方式，必須用外部電源啟動，對于幾百MW 等級的抽水蓄能電機組而言，啟動裝置極其關(guān)鍵。目前抽水蓄能機組啟動方式有：全壓啟動、降壓啟動、輔助電機啟動、靜止變頻啟動（SFC）以及“背靠背”啟動（同步對拖，即以一臺機組作為拖動機，另一臺作為被拖動機組），在這些啟動方式中，一般都采用SFC為主，背靠背備用的方案。應(yīng)用于抽水蓄能電機組的SFC 屬于大功率電力電子變頻裝置，其主要特點是大容量，高電壓，大電流，根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)抽水蓄能電站中的SFC 的主回路全部采用LCI（負載換流變頻器）拓撲結(jié)構(gòu)。LCI 的工作原理為：整流器將交流電整流成直流電，通過直流平波電抗器的濾波和限流作用，使中間環(huán)節(jié)的直流電流波形平直、脈動小，逆變器再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，從而達到調(diào)壓調(diào)頻的效果。

根據(jù)供電方式不同，SFC 可以分為高-低-高型變頻器和高-高型變頻器?？紤]功率密度、占地面積、器件數(shù)量、電網(wǎng)諧波，設(shè)備成本，維護等，高-低-高方案具有較大優(yōu)勢。

2 SFC啟動裝置主回路拓撲結(jié)構(gòu)

國內(nèi)某抽水蓄能機組裝機容量為2×60 MW，采用高低高、晶閘管負載換向式（LCI）變頻啟動方式。國內(nèi)外抽水蓄能機組的SFC 容量一般設(shè)計為電機容量的8%～10%，因此SFC 啟動裝置設(shè)計為額定輸出功率6 MW（按10%考慮），主要由輸入變壓器、晶閘管整流器、直流電抗器、晶閘管逆變器，輸出變壓器等主要設(shè)備組成。

1）SFC 變頻器數(shù)據(jù)

變頻器額定輸出功率：PsN=6 000 kW

變頻器額定輸出電壓；usN=10.5 kV

變頻器額定輸出電流：

2）LCI 晶閘管變頻器數(shù)據(jù)

SFC 變頻器中經(jīng)輸入變壓器，將電網(wǎng)電壓由10.5 kV 變換為1.3 kV，由2 套LCI 變換輸出0-1.3 kV 的變頻電壓，經(jīng)輸出變壓器再變?yōu)?-10.5 kV 的電壓供給同步電機。輸入/輸出變壓器效率：99%，變比：10.5 kV/1.3 kV。

變頻器額定輸出電流：

每組變頻器直流回路電流：

圖1 SFC 啟動裝置晶閘管主回路原理圖

圖2 功率單元

3 SFC 啟動裝置控制原理

SFC 啟動裝置控制系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。

圖3 SFC 啟動裝置控制系統(tǒng)原理圖

SFC 啟動裝置控制原理主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子當前的位置和轉(zhuǎn)速，通過控制三相電流（電壓）的頻率、幅值和相位，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速跟蹤轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的。在SFC 控制系統(tǒng)中，整流器采用速度和電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制輸出電流的幅值，逆變器采用矢量控制技術(shù)輸出電流的頻率。另外，矢量控制還計算了勵磁電流的設(shè)定值，并通過交流無刷勵磁機進行控制。

SFC 拖動機組啟動前，勵磁系統(tǒng)在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上施加勵磁電流，從而在發(fā)電機定子上感應(yīng)出電壓。SFC 系統(tǒng)測量發(fā)電機定子電壓，經(jīng)過計算得到轉(zhuǎn)子初始位置角。轉(zhuǎn)子初始位置角決定了最先觸發(fā)的晶閘管。

電機剛啟動時，反電勢很小，采用斷續(xù)換相運行。所謂斷續(xù)換相運行，就是每當晶閘管需要換流時，使逆變器的輸入電流下降到零，讓逆變器的所有晶閘管均關(guān)斷，然后給換流后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管施加觸發(fā)脈沖，再同時開通逆變器的輸入電流使晶閘管導(dǎo)通，從而實現(xiàn)從一相到另一相的換流。由于斷續(xù)換流只是在啟動和低速時使用，逆變器輸出的頻率較低，電流斷續(xù)的時間對同步電機的運行影響不大。電流斷續(xù)時，封鎖逆變器晶閘管同時讓供電的晶閘管整流橋也進入逆變狀態(tài)，使通過電機繞組的電流迅速衰減，以達到在短時間內(nèi)實現(xiàn)電流斷續(xù)。

當電動機加速到額定轉(zhuǎn)速的5%～10%時，轉(zhuǎn)入反電動勢自然換相，晶閘管直接利用電機產(chǎn)生的反電動勢進行換流。為了保證換流的可靠進行，通常要求換流剩余角γc至少應(yīng)保持在10°～15°之間。要滿足這個條件，一方面適當增大空載換流超前角γo，但是隨著γo的增大，同樣負載電流的電機轉(zhuǎn)矩會減小，并加大了轉(zhuǎn)矩脈動分量，一般取γo=60°；另一方面要限制電機負載電流以減小重疊角μ。

當機組加速到額定轉(zhuǎn)速的97%時，系統(tǒng)進入同期并網(wǎng)階段，一旦并網(wǎng)成功，則切除SFC 裝置。

4 SFC 啟動裝置控制系統(tǒng)硬件配置

SFC 變頻啟動系統(tǒng)采用基于VME 總線的多CPU 系統(tǒng)與DSP 數(shù)字信號處理器相結(jié)合的全數(shù)字控制系統(tǒng)的方案。包括機架、處理器板、反射內(nèi)存通信板、PROFIBUS 通信板、模擬量輸出板、模擬量輸入板，模板間通過背板的VME 總線進行數(shù)據(jù)交互。其硬件配置如圖4 所示。

圖4 SFC 啟動裝置控制系統(tǒng)機箱配置圖

1）機架。機架中帶有可靠性高、傳輸速度快的VME 背板總線。2）處理器模板。采用Pentium M 1.8 GHz 處理器，內(nèi)存1 GB，保證程序的運行速度。3）反射內(nèi)存模板。用于機箱間高速通訊。4）Profibus 接口模板。用于連接到Profibus 現(xiàn)場總線，可作主站，也可作從站。5）模擬量輸出模板。將變流器的電流電壓等用戶所需的信息輸出。6）A/D 模板。用于系統(tǒng)控制所需的檢測量的模數(shù)轉(zhuǎn)換。7）DSP 模板。用于整流器和逆變器的脈沖生成。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的晶閘管負載換流同步電機調(diào)速系統(tǒng)可以高效、安全、可靠實現(xiàn)機組啟動，同時啟動過程的無功沖擊及產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)影響小，具有容量大、電壓高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點，可以廣泛應(yīng)用于抽水蓄能、大型風洞、油氣輸送等領(lǐng)域。